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PSCCL科普文献系列[1]:筛管挡砂那些事儿!

发布者:PSCCL  发布时间:2020-2-28 14:48:43

▋▎引言 Preface

防砂或控砂,听起来很简单的事情,其实也确实很简单,但多少年来,我们面临的困惑并没有得到很好的答案。我从事此领域的研究多年,也是没什么头绪;并且经常有行业内认识或不认识朋友咨询,譬如如何设计筛管精度?适度控砂怎么设计?筛管的缝宽到底怎么选?等等。对于这些问题,我也没有十分明确、简单明了的答案,甚至也很困惑。但是,有问题就需要思考。要回答这些问题,首先需要了解防砂介质挡砂到底是怎么一回事儿?

为了普及防砂完井领域的基础知识,发挥公众号的科普公益作用,高效开采(防砂)完井实验室(PSCCL)将推出系列科普文献。本期的焦点就说说筛管挡砂那些事儿!

▋▎控砂筛管和介质 Screen and Media

目前在防砂行当,防砂方式不外乎机械筛管类和砾石充填类。砾石充填类比较好理解,无论是循环充填、管外挤压充填、高速水充填、微压裂充填,以及压裂充填等,本质上都是依靠充填砾石层阻挡地层砂,不再赘述。这里稍微说说机械防砂筛管。

目前油气田现场使用的机械防砂完井筛管多达几十种,从总体宏观结构,机械筛管可分为如下三类:

单层结构筛管:筛管结构仅由一层组成,结构单一。代表性单层筛管为割缝衬管,其结构只有一层割缝金属钢管,无保护罩和内衬基管。

双层结构筛管:由基管和外保护罩两层组成,典型的双层筛管有不锈钢绕丝筛管、环氧树脂石英砂滤砂管等。

三层结构筛管:由基管、挡砂介质层、外保护罩三层组成。目前油气田现场应用的筛管大部分属于三层筛管。典型的三层筛管结构筛管有金属棉滤砂管、CMS筛管、Excluder筛管、MeshRite筛管、ExcelFlo筛管等。

众多的筛管产品中,筛管基管和外保护罩大体差不多,或者大同小异。不同筛管产品主要的差异主要在挡砂介质层。挡砂介质不但要求有良好的防砂功能,同时还必须有一定的流通性,这矛盾的两个方面使得制造商在挡砂介质的选取和加工上出现多样化的选择取舍。但无论多么花样繁多,都不外乎如下五种:

规则缝隙类介质:通过金属丝缠绕或套管上割缝产生的规则缝隙,如割缝筛管和绕丝筛管。规则缝隙类筛管的挡砂效果取决于缝隙的宽度及缝型结构,比如矩形缝、单梯形缝、双梯形缝等。

规则滤网类介质:主要是单层或多层金属编织网叠加形成挡砂层,如CMS筛管、MGC筛管。规则滤网类挡砂介质的挡砂效果取决于单层网孔大小和形状,以及复合叠加的层数和紧密度。

不规则金属棉(纤维)类介质:由金属丝杂乱缠绕而成,或者金属纤维杂乱烧结压制而成,通过体积压缩控制挡砂介质的渗透率和挡砂精度,如金属棉滤砂管。

颗粒充填类介质:由石英砂、涂敷砂、陶粒等固体颗粒堆积充填形成挡砂介质,如双层预充填砾石层绕丝筛管、树脂石英砂筛管等。颗粒充填类挡砂介质挡砂效果取决于颗粒的直径和圆球度以及压实程度。

泡沫金属类:一种近年来进入防砂筛管行业的新型挡砂介质,类似于海绵,但基质是金属材料,一般为金属镍。

由于筛管挡砂介质类型、结构和加工方法各异,微观结构参数多样,各种筛管的防砂性能和适应条件差异明显。

▋▎筛管挡砂介质的挡砂过程剖析 Process

独立机械筛管防砂仅在出砂层位井筒内植入机械筛管,在筛管与裸眼井壁或套管之间会留下一个未被充填的环空(相对于砾石充填的情况)。以一个简单的垂直井独立筛管防砂物理模型为例,阐述和剖析挡砂过程。

作业完毕后,井筒、炮眼是干净,当然筛管也是干净的。

投产后,储层流体携带地层砂会继续产出,从炮眼流出,进入井筒。我们假设产出地层砂的粒径范围是dsmin-dsmax。实际上,产出的最小粒径基本上很小很小,Dsmin值很小。

继续假设干净的筛管允许进入筛管内部的临界颗粒粒径是Dsc。也就是说,初始状态下,完全干净的筛管,如果地层砂粒粒径小于dsc,它就会钻到筛管里面去。

现在Dsmin-Dsc范围的地层砂很顺利地进入了筛管内部。要知道,筛管内部挡砂介质的微观孔喉结构很复杂,尺寸不规则也不统一,迂曲拐弯的形状请自行脑补。进入到干净筛管内部的粒径dsmin-dsc的地层砂,很细的那部分可能会自由通过整个筛管,跑掉了;但也会有一部分粒径较粗的颗粒,被介质孔喉结构卡住了,走不了了。这就是所谓的介质内部堵塞。

介质内部地层砂颗粒堵塞,等于部分较大的孔喉空间被占据,也就降低了流通性,同时降低了介质的孔喉尺寸;最终等于增强了挡砂介质的挡砂能力。

继续有地层砂粒进来,很显然,介质的挡砂能力增强了,趋近于堵塞加剧;越往后,进入到筛管内部的砂粒越难排出去,直到筛管内部“吃饱”,再也“吃不动了”。到此,筛管内部介质的堵塞过程结束。

把目光再转到筛管的外部,粒径Dsc-dsmax的砂粒被阻挡在筛管外部。如果井筒具备沉砂条件,一部分砂子一般会沉积在井筒底部。我们假设两种极端情况:

  ☉极端情况A:没有口袋,所有被挡在筛管外部的砂粒会附着沉积在筛管表面(因为有流体的流动冲击作用)。试想,这部分沉积的地层砂砂粒,它的孔喉直径有多小?很小。也就说沉积附着的地层砂,有“超强”的挡砂能力。最终的结果是,粗砂粒挡较细的砂粒,较细的砂粒挡更细的,直到整个环空被地层砂填满。试想,一旦筛管外部形成稳定的地层砂附着沉积层,还会有大量的地层砂进入筛管么?

  ☉极端情况B:假设油井筛管底部有沉砂口袋,并且阻挡在筛管外面的地层砂全部沉积到了口袋里面,那么情景就变成了这样:在沉砂口袋没被填满之前,筛管外部始终是干净的,地层里来的砂子,一部分钻进筛管,一部分下沉到井底。但是,井底口袋空间,总有被地层砂填满的时候。填满以后,自然就回到情况A了。

简单总结一下上面的过程:地层产出砂中粒径较细的部分会进入筛管,这部分侵入筛管的地层砂中,细砂部分可能会通过筛管,较粗的颗粒会产生堵塞;筛管的挡砂能力增强,对于进来的地层砂越来越趋向于“只吃不吐”,直到吃饱,介质内部堵塞完毕;被筛管阻挡在外的较大颗粒的地层砂,会在筛管外部形成由内到外从粗到细的逐级桥架,直到挡砂介质外部空间被产出砂填满,整个挡砂系统稳定。

上面说的是筛管介质,对于砾石充填的情况,略有不同,但基本过程和原理大体类似。

▋▎筛管挡砂介质的挡砂机理 Mechanism   

分析了筛管介质挡砂的全过程,就可以总结一下筛管介质的两个重要挡砂机理。

筛管挡砂介质内部桥架堵塞机理

地层砂中的部分较细颗粒被液相携带侵入筛管挡砂介质内部,侵入砂粒中较细的部分突破并通过挡砂介质层;而较粗的颗粒则难以突破并滞留在挡砂介质中,形成筛管挡砂介质内部的桥架堵塞,造成挡砂介质渗透率下降。当侵入并滞留的砂粒填满挡砂介质有限的孔喉空间后,介质内部堵塞达到平衡状态。高泥质含量会加剧筛管挡砂介质内部桥架堵塞,具体堵塞与挡砂动态与筛管介质类型与结构、介质孔喉尺寸、地层粒径分布、泥质含量、驱替流体物性、产量及流速等密切相关。

筛管外部空间的分选桥架堵塞机理

在筛管外部,液相携带地层砂冲击筛管;在投产初期,较细的地层砂侵入干净的筛管,而地层砂中较粗、难以侵入介质内部的砂粒以分选桥架的形式被阻挡在筛管表面,逐步达到一定厚度后,即成为新的挡砂介质,其孔喉结构会远小于筛管挡砂介质孔喉尺寸,进而可以阻挡更细的地层砂。以此类推可以实现对地层砂的完全或大部分阻挡。从筛管向储层外部延伸,充填堵塞的颗粒粒径越来越小。

▋▎几点启示 Enlightenments                    

了解了微观上筛管和砾石层挡砂介质的挡砂机理和围观过程,我们可以得到如下几点启示:

无论是筛管还是砾石层,其挡砂的过程,也是介质本身被堵塞的过程。所以,从一定程度上讲,挡砂和堵塞实质上是“一回事儿”,或者说是在一定时间内是“同时发生的”。

挡砂介质的堵塞是发生在投产早期,并且堵塞发生的会很快。对于挡砂介质的堵塞,不是永远发生下去的。当挡砂介质内部空间被颗粒堵塞填满或者外部屏障使得地层砂粒不能再侵入时,堵塞在宏观上就基本停止了。很多防砂井投产后产量很快下降到并维持较低的水平,就是这一原理的宏观表现。

相比于堵塞,“挡砂”现象或作用是长期发生或存在的。能不能达到稳定的挡砂效果,取决于挡砂介质的外部能否形成的挡砂桥架,这和很多因素有关。比如井底的沉砂口袋空间大小,介质的原始孔喉尺寸和地层出砂粒径的配比关系等。

进入筛管内部的地层砂不是全通过,也不是全滞留。但滞留的的地层砂会增强筛管挡砂能力,筛管对于进来的地层砂越来越趋向于“只吃不吐”,直到吃饱,介质内部堵塞完毕。简言之,堵塞会增强筛管的挡砂能力。

挡住砂其实很容易,问题是如何保证挡砂屏障稳定以后,整个挡砂系统的流通性?如果稳定桥架以后流通性尚可保持油气井产能,这是成功的防砂措施。

▋▎几点思考 Thinkings            

理解了挡砂介质的挡砂过程,看完这些虚无缥缈的微观机理,最后让我们回到防砂完井的现实世界,再思考几个问题:

何为和如何界定挡砂精度?

挡砂介质的挡砂精度存在么?

如何界定挡砂介质的挡砂能力?

适度防砂有合理性或可行性么?

适度防砂存在或发生的条件是什么?

欲知这些问题如何回答,敬请期待下一期:

【下期预告】PSCCL科普文献系列(2):挡砂精度迷局!


▋▎参考文献 References

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